CN107954711B - 一种可调太赫兹波光学窗口的成型方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调太赫兹波光学窗口的成型方法及其应用，属于3D打印领域及太赫兹应用技术领域。该方法首先采用溶胶凝胶法制备前驱体浆料，然后以该前驱体浆料作为原料进行3D打印无模直写成型，最后通过高温烧结固化获得具有三维木堆结构的所述可调光学窗口。本发明采用溶胶凝胶法配制浆料结合3D打印技术，可实现光学窗口的无模直写成型，该成型的光学窗口只需采用简单的木堆结构，通过调整三维木堆结构中介质棒的直径与间距，就能实现该窗口在太赫兹波段响应特性的调节。该方法不仅解决了复杂光学窗口难以加工的难题，而且结构更加精细、有序，能够对太赫兹波进行更加良好的调控。

Description

一种可调太赫兹波光学窗口的成型方法及其应用
技术领域
本发明涉及3D打印及太赫兹应用技术领域，具体涉及一种可调太赫兹波光学窗口的成型方法及其应用。
背景技术
太赫兹波由于在天文学、生物医学、无线通信、安全检测等领域的广泛应用，引起了人们的关注。随着自由电子激光器和超快技术的发展，太赫兹波的产生和检测技术也得到了极大的发展。而用于操控太赫兹波传播的太赫兹波光学窗口的研究却由于制备工艺等原因进展缓慢，制约着太赫兹应用技术的发展。
太赫兹波光学窗口能够对太赫兹波段的电磁波进行调控，要求其介质单元周期尺寸为数微米至数百微米量级。传统制备太赫兹波光学窗口的方法有激光直写、立体印刷、微粒组装等，但这些方法工艺复杂、耗时太长、成本较高，而且对材料选择要求较苛刻。无模直写成型是一种以浆料挤出成型的3D打印技术，通过对浆料的流变学性质进行合理调控，可以制备特征尺寸在数微米至数毫米范围内结构复杂的三维器件，能够很好的满足太赫兹光学窗口制备的精度要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可调太赫兹波光学窗口的成型方法及其应用，该方法不仅解决了复杂光学窗口难以加工的难题，而且结构更加精细、有序，能够对太赫兹波进行更加良好的调控。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种可调太赫兹波光学窗口的成型方法，该方法首先采用溶胶凝胶法制备前驱体浆料，然后以该前驱体浆料作为原料进行3D打印无模直写成型，最后通过高温烧结固化获得具有三维木堆结构的所述可调光学窗口。
所述前驱体浆料的制备过程包括如下步骤：
(1)含表面活性剂和金属离子的乙醇溶液的配制：
将表面活性剂、金属醇盐和乙醇均匀混合获得所述含表面活性剂和金属离子的乙醇溶液；其中：表面活性剂与金属醇盐的比例为(0.2-1)g:10mL，金属醇盐与乙醇的体积比例为1:(0.5-1)；所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮(平均分子量大于50000)或聚乙二醇。
(2)氨水溶液配制：按照氨水、去离子水与乙醇的体积比例为1:(0.5-2)：(4-10)配制；
(3)将步骤(1)所得含表面活性剂和金属离子的乙醇溶液与步骤(2)中氨水溶液按体积比例1:(0.5-2)混合，并在50-90℃条件下水解缩聚成凝胶，即得到所述前驱体浆料。
上述步骤(3)所得凝胶为氧化物、氮化物或碳化物陶瓷凝胶，根据所选择的凝胶种类选择步骤(1)中的金属醇盐。
上述步骤(1)中，当所述金属醇盐为双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯(TIA)时，步骤(3)中得到的前驱体浆料为二氧化钛凝胶。
所述3D打印无模直写成型过程中，采用三维木堆结构，调节三维木堆结构中介质棒的直径为10-200μm，间距分别为50-500μm。
所述高温烧结固化是采用多步保温烧结的工艺进行固化，其中：每步升温速率为0.5-2℃/min，保温温度区间450-1600℃，每步保温时间为2-5小时，每步保温后自然冷却到室温，保温2-4次。
本发明上述方法用于成型可调太赫兹波光学窗口，通过调整光学窗口三维木堆结构中介质棒的直径与间距，实现该窗口在太赫兹波段响应特性的调节。
本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明采用溶胶凝胶法配制浆料并结合3D打印技术，可实现光学窗口的无模直写成型。
2、本发明成型的光学窗口只需采用简单的木堆结构，通过三维木堆结构中介质棒的直径与间距，就能实现该窗口在太赫兹波段响应特性的调节。
附图说明
图1为木堆结构太赫兹波光学窗口微观形貌图。
图2为介质棒直径为32μm，介质棒间距为112μm的二氧化钛陶瓷太赫波光学窗口透射图谱。
图3为介质棒直径为32μm，介质棒间距为140μm的二氧化钛陶瓷太赫波光学窗口透射图谱。
图4为实施例3中保持介质棒直径不变，随着介质棒间距变化带隙位置变化曲线。
具体实施方式
下面结合具体的实例对本发明的具体实施方式作详细说明。以下实施例中采用太赫兹时域光谱仪测试太赫兹波光学窗口的透过率。
实施例1
1.配制二氧化钛溶胶凝胶浆料：需要的药品有双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯(TIA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP，平均分子量55000)、无水乙醇、氨水、去离子水，通过TIA水解获得二氧化钛溶胶凝胶。具体配制方法为，将0.62g的PVP完全溶解到8mL无水乙醇中，再加入12.5mL的TIA，搅拌均匀，标记为溶液①；将1.8mL去离子水和1.34mL氨水加入到8mL无水乙醇中搅拌均匀，标记为溶液②；将溶液①和②混合均匀，80℃水浴加热搅拌约1小时形成凝胶，此时凝胶的体积约为2mL，将其装入5mL料筒中待用。
2.编写木堆结构3D打印程序，介质棒间距设定为200μm，选择直径60μm的针头，压力设定为80psi，逐层打印得到二氧化钛凝胶光学窗口，如图1。
3.将二氧化钛凝胶光学窗口进行高温处理：升温速率设置在1℃/min，在400℃和600℃各保温4小时后升温至1200℃保温4小时，再分段冷却至室温。得到介质棒直径为32μm，间距为112μm的二氧化钛陶瓷光学窗口。
4.对二氧化钛陶瓷光学窗口进行太赫兹光谱测试，经过快速傅立叶变换，得到光子带隙图谱，如图2。
实施例2
1.按照实施例1中步骤1所述方法配制二氧化钛溶胶凝胶浆料。
2.编写木堆结构3D打印程序，介质棒间距设定为250μm，选择直径60μm的针头，压力设定为80psi，逐层打印得到二氧化钛凝胶光学窗口。
3.对二氧化钛凝胶光学窗口进行高温处理：升温速率设置在1℃/min，在400℃和600℃各保温4小时后升温至1200℃保温4小时，再分段冷却至室温。得到介质棒直径为32μm，间距为140μm的二氧化钛陶瓷光学窗口。
4.对二氧化钛陶瓷光学窗口进行太赫兹光谱测试，经过快速傅立叶变换，得到光子带隙图谱，如图3。
实施例3
与实施例1不同之处在于：步骤上2中选用多个不同的介质棒间距，选择直径60μm的针头，经步骤3高温处理后，得到介质棒直径为32μm，介质棒间距分别为112μm、140μm、168μm、196μm的二氧化钛陶瓷光学窗口。
介质棒直径为32μm，介质棒间距分别为112μm、140μm、168μm、196μm的二氧化钛陶瓷太赫兹波光学窗口带隙变化图如图4。
由上述实施例可以看出，通过调整光学窗口三维木堆结构中介质棒的直径与间距，能够实现光学窗口在太赫兹波段响应特性的调节。保持介质棒直径不变，随着介质棒间距的增加，带隙位置逐渐向低频方向移动。
上述实施例仅作参考，具有和本专利相似或者从本专利思路出发而延伸的溶胶凝胶法3D打印太赫兹波光学窗口的制造方法，均在本专利的保护范围。

Claims (4)

1.一种可调太赫兹波光学窗口的成型方法，其特征在于：该方法首先采用溶胶凝胶法制备前驱体浆料，然后以该前驱体浆料作为原料进行3D打印无模直写成型，最后通过高温烧结固化获得具有三维木堆结构的所述可调太赫兹波光学窗口；所述前驱体浆料的制备过程包括如下步骤：
（1）含表面活性剂和金属离子的乙醇溶液的配制：
将表面活性剂、金属醇盐和乙醇均匀混合获得所述含表面活性剂和金属离子的乙醇溶液；其中：表面活性剂与金属醇盐的比例为（0.2-1）g:10 mL，金属醇盐与乙醇的体积比例为1:（0.5-1）；所述金属醇盐为双（乙酰丙酮基）二异丙基钛酸酯；所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮或聚乙二醇；
（2）氨水溶液配制：按照氨水、去离子水与乙醇的体积比例为1:（0.5-2）：（4-10）配制；
（3）将步骤（1）所得含表面活性剂和金属离子的乙醇溶液与步骤（2）中氨水溶液按体积比例1:（0.5-2）混合，并在50-90℃条件下水解缩聚成凝胶，即得到所述前驱体浆料，得到的前驱体浆料为二氧化钛凝胶；
所述3D打印无模直写成型过程中，采用三维木堆结构，调节三维木堆结构中介质棒的直径为10-200 μm，间距分别为50-500 μm。
2.根据权利要求1所述的可调太赫兹波光学窗口的成型方法，其特征在于：所述高温烧结固化是采用多步保温烧结的工艺进行固化，其中：每步升温速率为0.5-2℃/min，保温温度区间450-1600℃，每步保温时间为2-5小时，每步保温后自然冷却到室温，保温2-4次。
3.根据权利要求1所述的可调太赫兹波光学窗口的成型方法的应用，其特征在于：该方法用于成型可调太赫兹波光学窗口。
4.根据权利要求3所述的可调太赫兹波光学窗口的成型方法的应用，其特征在于：通过调整光学窗口三维木堆结构中介质棒的直径与间距，实现该窗口在太赫兹波段响应特性的调节。
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